基于Powerm ill五軸3+2編程的應用與探索

馮一鋒

（廣州市輕工高級技工學校，廣東廣州510230）

基于Powerm ill五軸3+2編程的應用與探索

馮一鋒

（廣州市輕工高級技工學校，廣東廣州510230）

介紹五軸聯(lián)動編程與定向編程加工的特點，以多面體為例對多軸3+2編程的一些基本方法要點和技巧作了簡短說明，為廣大初學者學習數控編程技術提供一些基本學習方法。

Pow erm ill；cam；五軸數控加工；3+2編程

傳統(tǒng)的三軸數控機床刀軸處于鉛直狀態(tài)不能傾斜，因此側面結構無法一次裝夾加工成型。在沒有五軸數控機床的情況下，就需要將零件重新安裝、定位和夾緊，對于復雜的零件，還需要制作專門的夾具，這就帶來了加工效率和加工精度不高的問題，所以無法滿足復雜的產品的生產，由此催生了五軸數控機床。而多軸編程是實現五軸機床加工的重要條件，所以開展數控五軸編程實踐意義重大。英國DELCAM公司的Powermill軟件是一款加工功能非常強大的加工軟件，不僅提供了2~3軸的加工，更是提供了3+2軸、5軸聯(lián)動的編程功能，廣泛應用在航天航空、汽車行業(yè)、精密模具等行業(yè)。筆者在此提出自己在使用Powermill軟件3+2軸的編程的一些心得體會以供廣大初學者參考。

1 3+2軸加工的含義

3+2軸加工是指在五軸機床（比如X、Y、Z、A、C五根運動軸）上進行X、Y、Z三軸聯(lián)合運動，另外兩根旋轉軸（如A、C軸）固定在某角度的加工。3+2軸加工是定位五軸加工的方式之一，也是五軸加工中最常用的一種加工方式，通過使用這種方式能完成大部分零件側面結構的加工，這種加工方式比目前五軸聯(lián)動加工效率高出不少。具有以下特點：

（1）能夠加工出零件上三軸機床無法加工到的區(qū)域。

（2）能夠避免球頭銑刀的靜點切削狀況，改善刀具切削條件以及零件表面加工質量。

（3）使用更短的刀具加工出深長型腔。

（4）為模具零件加工帶來更快的加工效率。

但是，3+2軸加工方式也有其局限性，例如增壓葉輪的精加工就不適于使用這種方式，而必須使用五軸聯(lián)動加工方式。

2 3+2軸編程案例模型工藝分析

本次案例使用發(fā)動機箱體教學模型，發(fā)動機箱體是一種典型的3+2軸多面體加工模型，整個模型在五軸機床上需要裝夾2次，底部與頂部編程時3軸編程就可滿足，但模型周邊結構必須使用3+2的編程才能一次裝夾完成加工，本次案例只對模型周邊的傾斜結構進行介紹。由于傾斜結構1、傾斜結構2，傾斜結構3、傾斜結構4的3+2編程步驟一樣，所以只列出傾斜結構1編程方式，讀者可以參考傾斜結構1的編程步驟完成傾斜結構2，傾斜結構3、傾斜結構4的編程。發(fā)動機箱體三維視圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動機箱體三維模型

3五軸3+2軸編程加工步驟

要編制五軸3+2的加工程序，必須要明白五軸定位加工的現實過程，使用PowerMILL軟件現實五軸3+2加工的全過程如下。

（1）鎖定毛坯到世界坐標系

在計算三軸加工刀路時，如果毛坯過小，未包圍加工范圍，則只會在毛坯包圍的范圍內生成部分刀具路徑；如毛坯尺寸過大，但是偏離了加工范圍，則會出現計算不出刀具路徑的情況。因此，計算刀具路徑前，一定要確保毛坯包圍住了零件的加工范圍。在五軸定軸加工時，由于會使用到用戶坐標系，就更要注意這一點。

在創(chuàng)建毛坯時，毛坯的定位是相對于世界坐標系的，這就意味著，在默認情況下，如果用戶創(chuàng)建了一個毛坯后，轉而去使用其它的用戶坐標系，那么毛坯就會“跑掉”。如圖2所示為零件及其世界坐標系和毛坯，此時創(chuàng)建的毛坯正好包圍住了零件，是需要的毛坯大小。為了進行3+2軸加工，新創(chuàng)建了一個用戶坐標系，并將該用戶坐標系激活，此時毛坯會部分偏移出零件，如圖3所示。

圖2 世界坐標系下的毛坯

圖3 用戶坐標系下的毛坯1

而如果此時再次使用毛坯對話框中默認參數重新創(chuàng)建毛坯，系統(tǒng)會計算出如圖4所示的毛坯，這個毛坯與原始毛坯是不同的，其尺寸變大了，不是需要的毛坯，正確的毛坯應是圖2所示的毛坯。這時就需要將新創(chuàng)建的毛坯鎖定到世界坐標系。

圖4 用戶坐標系下的毛坯2

在PowerMILL系統(tǒng)中，打開毛坯對話框后，鎖定實例毛坯到世界坐標系的操作過程如圖5所示。

圖5 毛坯設置

（2）創(chuàng)建并編輯用戶坐標系

根據被加工零件的結構特征分布情況，創(chuàng)建用戶坐標系。注意以下幾點：

1）用戶坐標系建立在零件外部較安全。

2）Z軸指向零件外部，作為刀軸方向矢量。

圖6 坐標系設置

（3）在用戶坐標系下，按照三軸加工零件的編程思路編制3+2軸加工程序。

（4）使用對刀坐標系輸出NC程序。

完成同一個零件的加工，可能需要多條3+2軸加工刀具路徑，要使用對刀坐標系來輸出這些刀具路徑為NC程序。這涉及到刀具路徑后處理的算法問題，對于3+2軸加工，實際上就是將刀軸相對工件傾斜一個角度進行加工，在后處理時，將世界坐標系旋轉一個角度到達編程坐標系（即用戶坐標系）即可。

4傾斜結構1加工工藝過程

表1中所述工藝流程為該模型的傾斜結構1加工工藝方法。

表1 傾斜結構1加工工藝流程

圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、為編程過程中刀路軌跡與仿真效果圖。

圖7 傾斜結構1（整體）開粗與仿真結果

圖8 傾斜結構1（孔與鍵槽）開粗與仿真結果

圖9 傾斜結構1（平面與鍵槽）開粗與仿真結果

圖10 傾斜結構1（孔）開粗與仿真結果

圖11 傾斜結構1（底部曲面）開粗與仿真結果

5機床仿真切削

對于多軸加工刀具路徑，不僅僅要考慮刀具與工件的碰撞情況，還要考慮機床主軸與工件以及工作臺是否會發(fā)生干涉。這就要求在仿真加工時，能將機床（主要是機床主軸與工作臺）也考慮進來，五軸機床結構多式多樣，所以編程人員在加工零件產品試件切削時，需要將機床納入仿真環(huán)境進行模擬，確保編程正確。而Delcam PowerMILL系統(tǒng)建立了一個包括全世界三十多家知名機床制造商的五軸機床產品數據庫，幾乎囊括了目前市面上所見的全部五軸機床，所以編程人員只需將五軸機床數據調入仿真即可，如圖12為本次零件的編程仿真加工過程圖，圖13為零件加工后實物圖。

圖12 機床仿真

圖13 發(fā)動機箱體加工實物

6后置處理操作過程

在PowerMILL資源欄中，右擊刀具路徑“chu-D12”，在彈出的快捷菜單條中選擇“產生獨立的NC程序”，系統(tǒng)即將刀具路徑chu-D12寫為NC程序chu-D12.如圖14所示。

圖14 編程代碼

在PowerMILL資源欄中，雙擊NC程序樹枝，將它展開。右擊NC程序樹枝下的NC程序chu-D12，在彈出的快捷菜單條中選擇“設置”，打開NC程序-chu-D12對話框，如圖15所示設置參數。

圖15 3+2軸加工刀路后處理設置

需要注意的是，在編制3+2軸刀具路徑時，使用的是用戶坐標系，但是在后處理3+2軸刀具路徑為NC程序時，必須設置輸出坐標系為對刀坐標系（一些數控編程教材中也稱為工件零點、工件坐標系等）。

7結束語

（1）利用軟件進行自動編程時，讀者要掌握這一概念，即軟件計算粗加工刀具路徑是基于毛坯形狀和零件外形的，因此，在編制3+2軸加工刀具路徑時，要特別注意毛坯的大小、形狀和位置等，否則，就計算不出所需要的刀具路徑。

（2）使用3+2軸加工方式，其實質就是傾斜主軸后的三軸加工，將刀軸根據零件側面結構特征傾斜，將側面結構特征轉變?yōu)檎娼Y構特征，零件加工的工藝思路、編程過程、程序參數等內容依然使用三軸加工策略來計算刀具路徑，這樣可以解決絕大部分零件側面結構特征的機加工成型問題。

（3）五軸3+2零件加工前，必須進行仿真加工，保證零件加工的正確性與機床加工過程中的安全性

[1]陳濤，周莉.五軸聯(lián)動數控機床及其應用[J].模具制造，2012（8）：74-76.

[2]曾鋒，楊忠高，王平.整體葉輪的五軸數控編程的關鍵技術[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：29-32.

[3]單巖，聶相虹．POWERMILL數控編程應用實例[M]．北京：清華大學出版社，2006.

Application and Exploration of Five Axis 3+2 Programm ing Based on Powerm ill

FENG Yi-feng
（Guangzhou Light Industry Senior Technical School，Guangzhou Guangdong 510230，China）

Five axis linkage programming and oriented programming and machining features are introduced.The polyhedron，for example onmultiaxis 3+2 programming some basicmethods and skills to do some brief description，for themajority of beginners learning NC programming technology to provide some basic learningmethod.

Powermill；cam；five axis NCmachining；3+2 programming

TH164

A

1672-545X（2016）12-0110-04

2016-09-29

馮一鋒（1986-），男，廣東廣州人，本科，一級實習指導，研究方向：數控加工技術。